基于固廢治理的粉煤灰綜合利用研究

山西普麗環(huán)境工程股份有限公司 楊玉環(huán)

粉煤灰是從電廠燃煤煙氣中捕集的細(xì)灰，化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和殘?zhí)迹叨嗫捉Y(jié)構(gòu)和火山灰活性。目前，燃煤發(fā)電仍是我國(guó)最主要的發(fā)電方式，我國(guó)粉煤灰排放量較大，年均在4億t以上。

根據(jù)中國(guó)生態(tài)環(huán)境部2018年12月發(fā)布的《2018年全國(guó)大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報(bào)》，2017年我國(guó)粉煤灰年產(chǎn)量約為4.9億t[1]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前我國(guó)粉煤灰總堆積量達(dá)30億t以上。粉煤灰的堆積會(huì)污染周圍環(huán)境，占用大量土地資源，若對(duì)其提質(zhì)和綜合利用，可將粉煤灰固體廢棄物作為一種二次資源，提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，減少環(huán)境污染，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、粉煤灰的主要特性

粉煤灰特性主要是其顆粒大小、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及形態(tài)和結(jié)構(gòu)的整體性。主要特性除了化學(xué)成分和礦物及顆粒組分外，主要包括表觀色澤方面、粒徑細(xì)度方面、級(jí)配方面、比表面方面、密度方面、含水率方面、燒失方面、需水量方面、火山灰活性方面和其他各種理化性質(zhì)方面的特性。

（一）煤粉爐粉煤灰的主要特性

煤粉爐的粉煤灰OF灰，主要是煤粉燃燒產(chǎn)生的，產(chǎn)生過(guò)程中爐溫較高，達(dá)1400℃，煤粉粒徑較小，低于100μm，對(duì)煤粉的熱值要求較高。該條件下產(chǎn)生的粉煤灰較細(xì)，主要組成是玻璃微珠，形狀為球狀，表面較光滑，結(jié)構(gòu)較致密，無(wú)不規(guī)則形態(tài)存在。OF灰主要含有石英、莫來(lái)石和赤鐵礦。

（二）CFB鍋爐粉煤灰的主要特性

CFB的粉煤灰是CFB鍋爐低溫燃燒產(chǎn)生的，生成過(guò)程溫度較低，一般在750-1000℃。CFB燃燒技術(shù)主要作為清潔燃燒技術(shù)，具有分級(jí)分段燃燒特性，產(chǎn)生污染物少，粉煤灰特性較佳，可燃燒劣質(zhì)低熱值燃料。因受燃燼時(shí)間影響，該鍋爐燃燼時(shí)間短，粉煤灰中碳未燃盡量較大，呈現(xiàn)多孔性和疏松性，其孔腔吸水率較高，大多數(shù)為不規(guī)則形狀顆粒，球形顆粒很少，粒徑較大。CFB灰燃燒產(chǎn)生損失較大，因爐內(nèi)脫硫加入了脫硫劑使其中CaO含量較高。CFB灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量遠(yuǎn)超過(guò)OF灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，CFB灰的燃燒損失高于OF灰的燃燒損失。

二、粉煤灰綜合利用途徑

（一）建材方面

粉煤灰在建材方面的利用情況主要考慮粉煤灰混凝土、粉煤灰用作水泥配料、粉煤灰磚、墻體材料、建筑回填筑路等幾方面的綜合利用，需要結(jié)合粉煤灰的特性，合理進(jìn)行利用。

（二）農(nóng)業(yè)方面

粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的利用主要用作改良土壤和作為化肥添加劑來(lái)使用。

（三）環(huán)保方面

粉煤灰在環(huán)保方面的利用主要可以考慮對(duì)煙氣污染的處理和廢水凈化處理，針對(duì)不同粉煤灰的特性，可以作為煙氣污染物和廢水凈化的吸附劑等。

（四）精細(xì)化利用方面

粉煤灰在精細(xì)化利用方面主要考慮提取氧化鋁、制備微晶玻璃、合成沸石分子篩、回收稀有金屬、制備泡沫玻璃、合成地質(zhì)聚合物、粉煤灰橡塑復(fù)合材料和陶粒等方面的利用。

三、高附加值利用技術(shù)研究

（一）光催化材料方面

在有堿性激發(fā)劑存在的前提下，利用粉煤灰制備半導(dǎo)體石墨烯粉煤灰基地質(zhì)聚合物復(fù)合光催化材料，形成的材料結(jié)構(gòu)密集性好、平均粒徑小。此過(guò)程中Co2+與一定量三氧化二鐵可給三氧化二鐵半導(dǎo)體能量，負(fù)載過(guò)程中使復(fù)合凝膠材料與染料分子間吸附力增加，同時(shí)可使分離光生電子空穴對(duì)的效率增大。

（二）造紙利用方面

該技術(shù)主要用到粉煤灰中的硅酸鈣，其粒徑大，對(duì)新型紙?jiān)谒珊穸群臀锢韽?qiáng)度兩方面都強(qiáng)于傳統(tǒng)紙，同時(shí)紙張光散射、亮度、抗張指數(shù)都會(huì)增加。該技術(shù)不足是粉煤灰中未燃盡炭，鐵對(duì)紙張白度會(huì)產(chǎn)生影響，降低其白度。

（三）金屬鋁提煉方面

我國(guó)工業(yè)化程度和科技發(fā)展程度日提高，金屬鋁資源短缺成為了我國(guó)工業(yè)發(fā)展的主要限制因素。我國(guó)一些地區(qū)的粉煤灰中包含的氧化鋁大概有40%～50%，可達(dá)到我國(guó)中級(jí)鋁土礦標(biāo)準(zhǔn)，從高鋁粉煤灰中提取鋁資源，不僅提高了粉煤灰的高附加值利用率，而且可在很大程度上解決我國(guó)金屬鋁短缺的問(wèn)題，資源利用的同時(shí)減少了對(duì)環(huán)境的污染。

粉煤灰中很重要的組成部分就是Al2O3，從粉煤灰中提煉Al2O3或鋁鹽非常重要，可采用的主要方法有堿法燒結(jié)和酸浸法兩種。

四、粉煤灰綜合利用難點(diǎn)

（一）利用途徑方面

銷售原灰作為我國(guó)現(xiàn)在粉煤灰的主要綜合利用途徑，存在很明顯的缺點(diǎn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)太過(guò)單調(diào)，深層次利用項(xiàng)目太少，產(chǎn)業(yè)鏈過(guò)于狹窄。當(dāng)前，急需開發(fā)粉煤灰各方面利用的新途徑，延伸粉煤灰產(chǎn)業(yè)鏈，特別是要開發(fā)粉煤灰高附加值利用技術(shù)和大規(guī)模使用途徑，讓資源實(shí)現(xiàn)逐級(jí)使用，夠降低自然資源耗廢減少粉煤灰堆積占地造成的環(huán)境污染問(wèn)題，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。

我們應(yīng)試圖打破粉煤灰利用的局限性，研究粉煤灰的實(shí)用技術(shù)，確保開發(fā)的技術(shù)較為成熟，具有一定可靠性，可為我們創(chuàng)造較大價(jià)值，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求及對(duì)環(huán)境的要求，重視粉煤灰回收利用技術(shù)開發(fā)[2-4]。

（二）時(shí)空分布方面

燃煤機(jī)組粉煤灰的綜合利用方面在空間上和時(shí)間上存在需求和供應(yīng)兩方面的不平衡。當(dāng)前并沒有穩(wěn)定的市場(chǎng)和長(zhǎng)期固定的可靠性支柱產(chǎn)業(yè)，這就阻礙了燃煤機(jī)組等行業(yè)粉煤灰在綜合有效利用方面的發(fā)展和市場(chǎng)開拓。主要體現(xiàn)為粉煤灰綜合利用空間差異，粉煤灰綜合利用時(shí)間方面的影響和綜合利用發(fā)展缺乏統(tǒng)一的布置與調(diào)控。

（三）處置防護(hù)方面

儲(chǔ)灰場(chǎng)堆積的粉煤灰處置防護(hù)措施仍不完善，缺乏相應(yīng)的無(wú)害化處理技術(shù)。粉煤灰堆積應(yīng)該設(shè)置防護(hù)措施，同時(shí)提高粉煤灰無(wú)害化處理技術(shù)。

（四）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化方面

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，需進(jìn)一步規(guī)范其在農(nóng)業(yè)方面、造紙方面和環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，進(jìn)一步收集儲(chǔ)存運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)需求、有價(jià)金屬提取標(biāo)準(zhǔn)需求和企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)需求。

五、石灰石燒結(jié)法提取氧化鋁技術(shù)分析

（一）技術(shù)工藝流程

石灰石燒結(jié)法提取氧化鋁的生產(chǎn)工藝是粉煤灰與氧化鈣混合煅燒，Al2O3與氧化鈣在高溫條件下燒結(jié)成無(wú)機(jī)化合物鋁酸鈣，SiO2與石灰石在高于800℃時(shí)燒結(jié)化合成硅酸二鈣（2CaO·SiO2），鋁酸鈣與Na2CO3溶液反應(yīng)生成鋁酸鈉溶液，熟料被分離出后，再制取氧化鋁[5]。

（二）主要技術(shù)特性

石灰石燒結(jié)法反應(yīng)溫度為1300℃～1400℃，其中鋁元素轉(zhuǎn)化成可溶于碳酸鈉的鋁酸鈣（12CaO·7Al2O3），除掉不溶的含硅廢渣。

主要工藝優(yōu)點(diǎn)為生產(chǎn)技術(shù)工藝成熟，能提取80%的氧化鋁，外排泥中粉煤灰和石灰石含量較少，氧化鋁具有較高的純度，原料的成本價(jià)格低，熟料能夠?qū)崿F(xiàn)自粉化，無(wú)需進(jìn)行磨制，殘?jiān)杀欢卫糜谒?，工藝流程?jiǎn)單，對(duì)裝置要求較低。

主要工藝弊端為石灰石等一次性資源消耗較多，提取氧化鋁后殘?jiān)幚碣M(fèi)用較高，在1300℃～1400℃高溫焙燒溫度下能耗很高，焙燒時(shí)溫度不好掌握，不能保證熟料質(zhì)量穩(wěn)定。

（三）工藝組成

（1）原料包括粉煤灰、石灰石、無(wú)堿粉化熟料、濃氫氧化鈉溶液等。

（2）分離產(chǎn)物主要為赤泥和水泥熟料（主要成分是CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，一般超過(guò)總量的95%，可用來(lái)生產(chǎn)水泥）、氧化鋁（用來(lái)生產(chǎn)鋁）等。

（3）主要設(shè)備有分離裝置、回轉(zhuǎn)窯煅燒裝置、蒸發(fā)裝置等。

六、結(jié)論

（1）粉煤灰在建材方面的利用可考慮粉煤灰混凝土、粉煤灰水泥配料、粉煤灰磚、墻體材料和建筑回填、筑路等方面；在農(nóng)業(yè)方面，可利用其中微量元素改善土壤特性和作為化肥添加劑；在環(huán)境污染方面，利用其特性可用于煙氣污染處理和廢水凈化處理；精細(xì)化利用方面可用來(lái)提取氧化鋁、制備微晶玻璃、合成沸石分子篩、回收稀有金屬、制備泡沫玻璃、合成地質(zhì)聚合物。

（2）典型粉煤灰高附加值利用技術(shù)主要有光催化材料方面、造紙方面、金屬鋁提煉方面的利用技術(shù)。光催化材料方面，利用粉煤灰制備半導(dǎo)體石墨烯粉煤灰基地質(zhì)聚合物復(fù)合光催化材料；造紙利用方面，主要用粉煤灰中的硅酸鈣；金屬鋁提煉方面可采用堿法燒結(jié)、酸浸法。

（3）通過(guò)對(duì)粉煤灰綜合利用技術(shù)在利用途徑方面、時(shí)空分布方面、建材行業(yè)市場(chǎng)的影響、處置防護(hù)方面、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化方面的難點(diǎn)進(jìn)行分析，可得出主要問(wèn)題是利用效率太低、利用面狹窄、經(jīng)濟(jì)效益低、投資成本高等。

（4）石灰石燒結(jié)法可實(shí)現(xiàn)對(duì)粉煤灰中金屬鋁的提煉，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高附加值值利用。